Способ автоматизированной оценки состояния летчика в условиях воздействия пилотажных перегрузок и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к авиационной и космической медицине, предназначено для автоматизированной диагностики в полете гравитационных расстройств у летчика при воздействии пилотажных перегрузок. Сущность изобретения состоит в том, что непрерывно измеряют величину перегрузки по осям n_x и n_y, силу давления ног на педали, уровень напряжения мышц живота, давление в камерах противоперегрузочного костюма и в подмасочном пространстве и амплитуду пульсаций сосудов уха с последующей обработкой информации по разработанному алгоритму решения диагностической задачи, вычислением одного из 4-х уровней нарушения зрения и сознания у оператора. За счет съема биотехнической информации с помощью датчиков появляется возможность автоматизировать оценку состояния оператора и повышается информативность способа 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 5 табл.

Изобретение относится к авиационной, космической и морской медицине, а именно к методам оценки состояния человека в целях прогнозирования и диагностики нарушений работоспособности летчика или космонавта в условиях воздействия перегрузок направления "голова-таз" при вращении центрифуги и при выполнении летательным аппаратом маневров в воздухе.

Известен способ оценки состояния оператора при управлении транспортным средством по уровню оксигенации крови в сосудах головного мозга, определяемому с помощью инфракрасного лазера. Существенными недостатками этого способа являются дороговизна применяемого устройства, низкая помехоустойчивость при регистрации биологического сигнала, высокие требования к фиксации датчика на голове оператора, а также запаздывание в представлении значимой информации при возникновении полной потери сознания.

Предлагаемый способ устраняет недостатки известного, повышает эргономичность его применения в полете и позволяет, в отличие от известного прогнозировать возникновение выраженных нарушений работоспособности летчика при управлении летательным аппаратом.

Техническим результатом изобретения является повышение информативности и расширение возможностей метода оценки состояния летчика в условиях воздействия перегрузок направления "голова-таз" за счет замены применяемого в известном способе инфракрасного лазера на аппаратурно-программные средства и датчики, позволяющие путем съема биотехнической информации проводить автоматизированную оценку состояния оператора по проценту нарушения зрительной функции.

Технический результат достигается тем, что летчика, одетого в противоперегрузочный костюм (ППК) с кислородной маской, фиксируют в кресле кабины самолета или центрифуги в положении сидя с помощью штатной привязной системы. Ноги летчика устанавливают на педалях управления, при этом противоперегрузочный костюм оснащен датчиками для измерения давления в камерах и давления на тело брюшной манжеты ППК, педали управления - датчиками измерения давления ног, а в расширенном варианте - дополнительно датчиком для регистрации пульсовой фотоплетизмограммы сосудов уха, установленном в шлемофоне. При создании перегрузки в полете или на центрифуге непрерывно регистрируют величину перегрузки по двум осям П_y и П_x, связанным с кабиной летательного аппарата, силу давления ног на педали, уровень напряжения мышц живота, давление в камерах противоперегрузочного костюма и в подмасочном пространстве, а в расширенном варианте - пульсовую фотоплетизмограмму сосудов уха.

Структурно-функциональная схема расширенного варианта предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Информация о состоянии объекта поступает от 7-и датчиков, регистрирующих состояние летчика, работу средств жизнеобеспечения, а также параметры гравитационной среды. После усиления и преобразования в аппаратном блоке сигналы датчиков поступают в диагностический модуль, который в случае выявления опасного состояния летчика может включать звуковую и визуальную сигнализацию и выдавать управляющие сигналы на систему автоматического управления самолетом (САУ).

Оценка состояния оператора производится по проценту нарушения функции зрения в следующих поддиапазонах: 0 - 49% - ясное зрение; 50 - 80% - частичное нарушение зрения (серая пелена); 81 - 100% - полная потеря зрения (черная пелена); 101 - 150% - полная потеря сознания.

Разработанный способ оценки этих состояний основан на математическом моделировании устойчивости летчика к действию перегрузок направления "голова-таз".

В состав модели входят алгоритмы оценки защитного эффекта отдельных противоперегрузочных приемов и средств.

1. Оценка защитного эффекта изменения положения тела относительно вектора перегрузки ЗЭС_пт = П - П·cos((УНК + arctg(Л/П)) - 15), (1) где ЗЭС_пт - защитный эффект средств изменения положения тела относительно вектора перегрузки; 15 - величина аортно-ретинального угла; УНК - угол наклона кресла;
П- значение текущей перегрузки (вертикальной составляющей вектора перегрузки летательного аппарата);
Л - продольная составляющая вектора перегрузки летательного аппарата.

2. Оценка защитного эффекта противоперегрузочного костюма

где
ЭППК- защитный эффект противоперегрузочного костюма (см. табл. 1);
ЗЭС_тппк - текущий защитный эффект противоперегрузочного костюма;
т, т-1 - текущий и предыдущий моменты времени.

В связи с тем, что отказ противоперегрузочного костюма в полете существенно повышает вероятность потери летчиком сознания, предложена модификация оценки состояния
СМ = 150% - (150% - С)·ЗЭС_тппк/ЭППК, П > 4,0 ед,
где
СМ - модифицированная оценка состояния оператора;
150% - абстрактное значение процента потери центрального зрения при потере сознания.

3. Для сохранения устойчивости к перегрузкам величина давления ног на педали управления должна соответствовать эмпирической зависимости

где
УП_тр - требуемое усилие на педали управления.

Текущее значение защитного эффекта давления ног на педали оценивали по формуле

где
ЗЭПуп - текущий защитный эффект напряжения мышц ног;
ЭУП - защитный эффект напряжения мышц ног (см. табл. 1);
УП - усилие на педали управления.

4. Оценка защитного эффекта напряжения мышц живота соответствует эмпирическим выражениям
НМЖ_э = 1 - ДППК + 0,023 · (П - 5) (6)
К = (НМЖ - НМЖ_э) / ДНМЖ (7)

где
НМЖ_э - эталонное значение напряжения мышц живота;
НМЖ - результат измерения напряжения мышц живота;
ДППК - результат измерения давления в противоперегрузочном костюме;
ЗЭТ_нмж - текущая защитная эффективность приема;
ДНМЖ - значение дополнительного напряжения мышц живота, соответствующее максимальному приросту защитной эффективности приема (константа, зависящая от типа костюма);
K - коэффициент;
ЭНМЖ - защитная эффективность приема (см. табл. 1).

5. Оценка защитного эффекта средств дыхания кислородом под избыточным давлением

где
ДМ - давление в подмасочном пространстве;
ДМП - пороговое значение давления в подмасочном пространстве.

6. В дальнейшем определяется величина приведенной перегрузки:

где
ЗЭП_i - защитный эффект I-го противоперегрузочного приема;
ЗЭС_j - защитный эффект J-го противоперегрузочного средства;
П - значение текущей перегрузки (вертикальной составляющей вектора перегрузки летательного аппарата);
k - количество учитываемых противоперегрузочных приемов;
m - количество учитываемых противоперегрузочных средств.

7. На следующем этапе определяются пороговые значения перегрузки и времени возникновения нарушений зрения на основе интерполяционных таблиц изменения во времени пороговых перегрузок сохранения полного объема зрения П0%, наступления серой пелены П50%, черной пелены П100%, потери сознания П150%:

где
П% - значение пороговой перегрузки для текущего момента времени;
⇒ - символ импликации: "если..., то...";
T - длительность действия перегрузки;
T% - время появления того или иного симптома для текущего значения перегрузки;
ПП - текущее значение приведенной перегрузки;
ЧПО - исходное (до первого воздействия) значение частоты пульса;
ЧП - значение частоты пульса к началу воздействия;
ЧПП - среднестатистическое значение ЧП для текущей перегрузки;
Ф1(T), Ф2(T), Ф(ПП) - функциональные зависимости, представленные в табл. 2 - 4.

8. На конечном этапе определяют состояние оператора по следующим зависимостям:

где
C - оценка состояния оператора, (остальные обозначения см. п. 7).

В табл. 4 приведены включенные в качестве параметров алгоритма защитные эффекты противоперегрузочных приемов и средств. В дальнейшем эти значения могут уточняться.

При расширенном варианте дополнительно измеряют амплитуду пульсовых колебаний сосудов мочки уха, регистрируемых с помощью датчика фотоплетизмограммы и рассчитывают текущее значение отношения в % измеренной амплитуды к исходной. В дальнейшем определяют состояние оператора по следующим признакам:
ясное зрение, если амплитуда осцилляций составляет 50% и более от исходной;
частичное нарушение зрения, если амплитуда осцилляций не превышает в течение 3 с 45% от исходной;
полная потеря зрения, если амплитуда осцилляций в течение 4 - 9 с не превышает 45% от исходной;
полная потеря сознания, если амплитуда осцилляций равна 0 в течение 10 с и более.

Полученный результат уточняет оценку оператора и в случае совпадения с результатом по п. 9 повышает информативность алгоритма диагностики, о чем свидетельствуют испытания, проведенные на центрифуге с участием 17-и здоровых мужчин-добровольцев. В испытаниях воспроизводилось воздействие пилотажных перегрузок величиной 5, 6, 7, 8 и 9 ед. с длительностью З0 с и скоростью нарастания 1 ед./с при использовании штатного противоперегрузочного снаряжения.

При нарастании перегрузки все испытуемые создавали защитное напряжение мышц ног и брюшного пресса, а затем во время воздействия максимальной перегрузки (на площадке) снижали уровень мышечного напряжения вплоть до полного расслабления или момента появления зрительных расстройств. В каждом случае нарушения зрения типа серой или черной пелены испытуемый восстанавливал зрительное восприятие за счет экстренного увеличения напряжения мышц. Появление или отсутствие зрительных расстройств при частичном или полном расслаблении, а также при выходе на площадку рассматривалось в качестве единичного события, оцениваемого по прямому диагностическому критерию, т.е. характеру зрительных ощущений испытуемого, и по 2-м косвенным критериям, описанным в п. 2 табл.5.

Результаты анализа информативности представлены в табл. 5. Видно, что средний уровень диагностической информативности, определяемой по проценту диагностических совпадений, существенно не зависел от величины достигаемой перегрузки и составил 73,7% (P = 0,74) по показателю интегральной оценки опасного состояния, что для 3-х диагностированных уровней состояния (ясное зрение: серая и черная пелена) превышает достоверно вероятность случайного распределения (0,33). Частота ошибочных диагностических решений обусловлена в основном ошибкой 1 рода, т.е. гиподиагностической, которая превышает 20% всех наблюдений.

При использовании дополнительной информации по критерию относительного снижения амплитуды ушного пульса (п. 2 табл. 5 и пп. 1 и 3 формулы изобретения) уровень информативности возрастает до 0,92 за счет резкого уменьшения частоты ошибки 1 рода до уровня частоты ошибки 2 рода.

Представленные по итогам испытаний на центрифуге результаты позволяют сделать вывод о том, что разработанные устройство и способ автоматизированной оценки состояния летчика при действии перегрузок направления голова-таз пригодны для использования на центрифуге и в полетных условиях.

Таким образом, данное устройство и способ оценки состояния позволяют: получать косвенную полимодальную информацию с датчиков о состоянии летчика; оценивать защитный эффект ППУ и противоперегрузочных защитных приемов; вычислять уровень текущего функционального состояния; прогнозировать и диагностировать опасное состояние летчика, угрожающее потерей профессиональной работоспособности.

Преимущества предлагаемого способа перед известным состоят в следующем: высокая помехоустойчивость системы регистрации; возможность не только диагностики, но и прогнозирования нарушений летной работоспособности в полете; высокие эргономические качества; отсутствие дорогостоящей физиологической аппаратуры; обеспечение более высокого уровня безопасности маневренного полета.

Формула изобретения

1. Способ оценки состояния оператора при воздействии перегрузок голова-таз, отличающийся тем, что непрерывно измеряют величину и время действия перегрузки по осям П_x и П_y, связанным с кабиной летательного аппарата, силу давления ног на педали, уровень напряжения мышц живота, давление в камерах противоперегрузочного костюма, по измеренным значениям определяют суммарный защитный эффект от применения средств и приемов противоперегрузочной защиты, затем определяют приведенную перегрузку как разность значения П_y и суммарного защитного эффекта, далее определяют состояние оператора по следующим зависимостям:

где ПП - приведенная перегрузка;
П - измеренная перегрузка П_y;
T - время действия перегрузки;
П50%, П100% - пороговые значения перегрузки, при которых наблюдается потеря зрения, зависящие от времени действия перегрузки;
T0%, T50%, T100%, - пороговые значения времени возникновения нарушения зрения, зависящие от величины перегрузки,
и судят о состоянии оператора по проценту нарушения зрительной функции как ясное зрение для C = 0 - 49%, частичное нарушение зрения (серая пелена) для C = 50 - 80%, полная потеря зрения (черная пелена) для C = 81 - 100%, полная потеря сознания для C = 101 - 150%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют амплитуду осцилляции сосудов мочки уха, затем дополнительно определяют состояние оператора как ясное зрение, если амплитуда осцилляции составляет 50% и более от исходной, частичное нарушение зрения, если амплитуда осцилляции в течение 3 с не превосходит 45% от исходной, полная потеря зрения, если относительное снижение амплитуды осцилляций не превосходит в течение 4 - 9 с 45% от исходной, полная потеря сознания, если амплитуда осцилляции равна нулю в течение 10 с и более, и уточняют оценку состояния оператора.

3. Устройство для оценки состояния оператора при воздействии перегрузки голова-таз, отличающаяся тем, что оно содержит датчик перегрузки, датчик силы давления ног на педали, датчик давления в камерах противоперегрузочного костюма, датчик давления в подмасочном пространстве, датчик давления брюшной манжеты противоперегрузочного костюма на тело оператора, блок измерения времени действия перегрузки, блок усиления и преобразования регистрируемых параметров и блок диагностики, выполненный с возможностью определения приведенной перегрузки по разности значениям вертикальной перегрузки и суммарного защитного эффекта от применения средств и приемов противоперегрузочной защиты и определения состояния оператора по следующим зависимостям:

где ПП - приведенная перегрузка;
П - измеренная перегрузка П_у;
Т - время действия перегрузки;
П 50%, П100% - пороговые значения перегрузки, при которых наблюдается потеря зрения, зависящие от времени действия перегрузки;
Т0%, Т50%, Т100% - пороговые значения времени возникновения нарушения зрения, зависящие от величины перегрузки,
и судят о состоянии оператора по проценту нарушения зрительной функции как ясное зрение, если C = 0 - 49%, частичная потеря зрения, если C = 50 - 80%, полная потеря зрения, если C = 81 - 100%, полная потеря сознания, если C = 101 - 150%.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок для регистрации фотоплетизмограммы сосудов мочки уха и блок дополнительного определения состояния оператора, выполненный с возможностью определения состояния как ясное зрение, если амплитуда осцилляции не превосходит 50% от исходной, частичное нарушение зрения, если амплитуда осцилляций в течение 3 с не превосходит 45% от исходной, полная потеря зрения, если амплитуда осцилляции не превосходит в течение 4 - 9 с 45% от исходной, полная потеря сознания, если амплитуда осцилляций равна нулю в течение 10 с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5